3. control e instrumentación
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3. CONTROL E INSTRUMENTACIÓN Planta de producción de ácido fórmico
Josep Casas Brujas
Formic Industries |
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ÍNDICE
3 CONTROL .......................................................................................................... 4
3.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 4 3.1.1. TIPOS DE LAZOS DE CONTROL ............................................................................. 5 3.1.2. Tipos de señales de control ................................................................................. 7 3.1.3. Elementos básicos de los sistemas de control .................................................... 7 3.1.4. Arquitectura de un sistema de control ............................................................... 8
3.2. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL ................................................... 10 3.2.1. Nomenclatura de los lazos de control............................................................... 10 3.2.2. Nomenclatura de la instrumentación ............................................................... 10 3.2.3. Simbologia ISA para la caracterización de un lazo de control. ......................... 11
3.3. Diagramas y descripción de los lazos de control .................................................. 13 3.3.1. Lazo de control de la temperatura para intercambiadores de calor ................ 13 3.3.2. Lazo de control de temperatura para tanques de almacenaje ......................... 17 3.3.3. Lazo de control de nivel para tanques de condensados ................................... 19 3.3.4. Lazo de control de temperatura para los condensadores de las columnas ..... 21 3.3.5. Lazo de control de caída de presión en columnas de destilación ..................... 23 3.3.6. Lazo de control de temperatura de la columna de destilación ........................ 25 3.3.7. Lazo de control de nivel para mezcladores estáticos ( I ) ................................. 27 3.3.8. Lazo de control de caudal para reactores y columna de extracción ................. 30 3.3.9. Lazo de control de temperatura para reactores ............................................... 32 3.3.10. Control de nivel para reactores......................................................................... 34
3.4. LISTADO DE LAZOS DE CONTROL POR ÁREA Y EQUIPO ........................................ 36 3.4.1. A-100 ................................................................................................................. 36
a. A-200 .................................................................................................................... 39 b. A-300 .................................................................................................................... 41 c. A-400 .................................................................................................................... 42 d. A-500 .................................................................................................................... 44 e. A-600 .................................................................................................................... 50 3.5. INSTRUMENTACIÓN .......................................................................................... 54
3.5.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 54 3.5.2. Elementos primarios ......................................................................................... 54 3.5.2.1. Nivel .................................................................................................................. 54 3.5.2.2. Caudal ................................................................................................................ 55 3.5.2.3. Temperatura ..................................................................................................... 55 3.5.2.4. Presión............................................................................................................... 56 3.5.2.5. Elementos finales .............................................................................................. 57
3.6. Tarjetas de adquisición de datos ........................................................................ 58 3.7. LISTADO DE INSTRUMENTACIÓN Y RECUENTO DE SEÑALES ................................ 62
3.7.1. A-100 ................................................................................................................. 62 3.7.2. A-200 ................................................................................................................. 65 3.7.3. A-300 ................................................................................................................. 67 3.7.4. A-400 ................................................................................................................. 69
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3.7.5. A-500 ................................................................................................................. 73 3.7.6. A-600 ................................................................................................................. 82
3.8. HOJAS DE ESPECIFICACIONES PARA LOS DISTINTOS INTRUMENTOS .................... 88
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3 CONTROL
3.1 INTRODUCCIÓN
Para un buen funcionamiento de la planta y con tal de llevar a cabo la mayor parte de las tareas
de un modo automatizado no basta con un buen diseño funcional y mecánico de los equipos de
planta, es necesaria la implementación de un buen sistema de control.
Mediante el sistema de control se pueden tener supervisadas y controladas, todo tipo de
perturbaciones y posibles desviaciones que ocurran a lo largo del proceso, que podrían conllevar
accidentes en la planta, emisiones no deseadas de contaminantes, pérdidas energéticas…
Así pues el sistema de control se encarga de reconducir al estado estacionario el proceso
después de la puesta en marcha inicial y mantenerlo en este estado analizando y regulando las
posibles desviaciones, que se produzcan a lo largo de las distintas operaciones.
Antes de llevar a cabo el diseño del sistema de control a emplear hay que tener en cuenta ciertos
factores
- Identificación de variables que tienen incidencia directa sobre el sistema.
- Vigilar una posible sobre especificación del sistema.
- Se ha de llevar a cabo una monitorización completa, así que es necesario garantizar que
se dispone de todos los lazos de control necesarios.
- Hay que seleccionar las variables de control del modo eficaz para que se puedan
controlar del modo más eficientemente posible.
- Se tiene que diseñar el lazo de control con toda la instrumentación pertinente;
Interruptores, sensores, alarmas, transductores, actuadores…
Aunque hay dos tipos principales de sistemas de control, analógicos y digitales, actualmente los
más utilizados son las sistemas digitales, dado que permiten trabajar con herramientas de
cálculo más económicas y eficientes, permite la recopilación de información así como también
una mayor integración de funcionalidades como la regulación, el seguimiento de variables y la
posible centralización.
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3.1.1. TIPOS DE LAZOS DE CONTROL
Los sistemas de control se dividen principalmente en dos grandes grupos:
o Sistemas de lazo abierto (open loop)
En este tipo de sistemas la señal de salida no afecta de ningún modo a la señal de
entrada, no tiene influencia alguna sobre el sistema ni el proceso.
o Sistemas de lazo cerrado
En los sistemas de lazo cerrado, contrariamente a los open loop, la señal de salida si
afecta a la señal de entrada.
A continuación se presentan los tipos de sistemas de lazo cerrado mas comunes en la
industria con una breve explicación.
- Control por retroalimentación o feed-back
Consiste en tomar medida de la variable controlada a la salida y realizar una
comparación con el punto de consigna establecido. Si existe desviación se aplica
la acción necesaria con tal de reducir al máximo tal desviación. En función del
tipo de variable controlada habrá que escoger entre los diferentes tipos de
controladores, proporcional (P), proporcional integral (PI) y proporcional
integral derivativo (PID).
Ilustración 1 Diagrama de bloques para un lazo de control feedback
- Control anticipativo o feed-forward
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Éste tipo de control se avanza al cambio que puede provocar la perturbación
sobre la variable controlada en cuestión. Esto es así dado que en este tipo de
control la variable que se mide no es la controlada, si no la perturbación
permitiendo así que el control sea efectivo antes de que la perturbación afecte.
Ilustración 2 Diagrama de bloques para un control de tipo feed forward
- Control en cascada
Éste método de control no está formado por un único lazo, sino que está
constituido por un lazo interno i un lazo externo. Mediante este tipo de control,
el cual tiene una única variable manipulada pero más de una variable a medir.
Se trata de una mezcla entre un control anticipativo y un control por
retroalimentación.
Ilustración 3 Diagrama de bloques para un control tipo cascada
- Control ON/OFF
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El control tipo ON/OFF se trata de un sistema de control menos preciso dado
que el tipo de válvulas que se emplean disponen solo de dos posiciones,
totalmente abiertas o totalmente cerradas.
Aunque éstos son algunos de los tipos de control más frecuentes en la industria, no son los
únicos, hay me mencionar también el control over-ride, empleado para una selección de
información mas adecuada para un set de indicadores i poder controlar la salida, o por ejemplo
el control ratio empleado para mantener relaciones entre dos variables.
3.1.2. Tipos de señales de control
Los diferentes elementos que constituyen el lazo de control se comunican entre ellos mediante
señales.
- Señales digitales: Basadas en un sistema binario, indican si la variable esta activada o
desactivada mediante señales de 0 -0,5 V.
- Señales analógicas: Suelen ser de tipo eléctrico y consisten en variaciones decimales
entre 4 – 20 mA.
3.1.3. Elementos básicos de los sistemas de control
- Sensores: Se trata de dispositivos capaces de detectar magnitudes físicas y químicas y
transformarlas en señales eléctricas capaces de ser cuantificadas y manipuladas.
- Transmisores: Éstos elementos son los encargados de transformar las lecturas y señales
de los sensores con tal de transformarlas en señales digitales estándar para que la
información pueda ser transmitida.
- Controladores: Los controladores se encargan de comparar las señales recibidas de los
transmisores con los puntos de consigna establecidos. Mediante ésta comparación se
calcula la acción a aplicar en función del error. Esta acción se emite en forma de señal
eléctrico hacia el transductor.
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o P o proporcional: la señal de salida es proporcional al error de regulación, la
diferencia entre la variable medida y el punto de consigna.
Éste tipo de controlador viene descrito por el valor del parámetro Kc, que
corresponde a la ganancia o banda proporcional del sistema.
Mediante éste tipo de control la respuesta tiene un nuevo estado estacionario
que se aproxima al valor de la consigna aunque nunca llegará a alcanzarlo, offset.
o PI o proporcional integral: Éste tipo de controlador tiene en cuenta ahora
también un nuevo parámetro, i , el tiempo integral, que corresponde al tiempo
que tarda la acción integral en repetir la acción proporcional si el error se
mantiene constante. De este modo se elimina el offset y a medida que se
aumenta Kc la respuesta es mas rápida y oscilatoria.
o PID o proporcional integral derivativo: El controlador PID anticipa cual será el
error en un futuro inmediato y aplica una acción de control proporcional a la
velocidad del cambio del error. Ésta acción preventiva viene marcada por una
nueva constante, d que corresponde la constante de tiempo derivativo.
- Transductores: Los transductores son los elementos encargados de
transformar las señales eléctricas en señales neumáticas con tal de poder
transmitir la actuación del controlador al elemento final y que este pueda
ejecutar tal acción.
- Actuadores o elementos finales: Son instrumentos que actúan sobre la
variable manipulada con tal de corregir el error respecto al punto de
consigna establecido.
Los elementos finales más comunes son las válvulas de control, frecuentemente de
accionamiento neumático o eléctrico.
3.1.4. Arquitectura de un sistema de control
Los sistemas de control por computadora se dividen principalmente en dos grandes grupos:
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- Control centralizado, sistemas poco eficientes con una problemática
frecuente frente a incidencias en la red de comunicación del ordenador
central
- Control distribuido, ofrece una mejor calidad en el producto final así como
una mayor y mejor seguridad y recopilación de información a tiempo real.
Los sistemas de control distribuido, también conocidos como DSC, presentan una
estructura jerárquica piramidal constituida por 4 niveles.
o Nivel 1
Corresponde al nivel dedicado a la instrumentación, constituida por elementos
de medida y de actuación.
o Nivel 2
En este nivel encontramos los elementos que conforman el control. Permiten
que los actuadores y sensores funcionen en conjunto sobre el proceso realizando
acciones concretas.
o Nivel 3
Se trata de un nivel de supervisión, aquí se lleva a cabo el monitorizado de los
dispositivos de control a través de un sistema de comunicación.
Permite visualizar de forma más general los sistemas de control de la planta con
tal de poder así actuar con mayor rapidez en caso de producirse un fallo.
o Nivel 4
En este nivel, la cumbre de la pirámide jerárquica es donde se supervisa la
información que se refiere a la producción, rendimiento de la planta, el consumo
de materias primas, etc.
Ilustración 4 Esquema básico de la arquitectura de control
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3.2. CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL
Con tal de caracterizar el sistema de control se requiere de una nomenclatura eficiente para una
buena organización y ubicación de los lazos de control así como de la instrumentación empleada
en nuestra planta.
3.2.1. Nomenclatura de los lazos de control
Para la caracterización del lazo de control se definirá cada lazo con la fórmula siguiente:
V - X000
V= Variable controlada.
X= Tipo de equipo dónde está instalado el lazo.
000= Número de equipo.
3.2.2. Nomenclatura de la instrumentación
Del mismo modo que para los lazos de control la nomenclatura para la instrumentación
se llevará a cabo mediante la fórmula mostrada a continuación.
V W – Y 000 - ZZ
V= Variable controlada.
W= Elemento que actúa sobre la variable controlada.
Y= Tipo de equipo donde está instalado el lazo.
000= Número de equipo.
ZZ= Número de elemento.
En las tablas 1-2 presentadas a continuación se presentan un listado de las posibles opciones
para la variable X para los lazos de control, y otra tabla con las posibles opciones para el tipo de
elemento que actúa sobra la variable controlada.
Tabla 1 Nomenclatura empleada para las variables de control.
X
Temperatura T
Presión P
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Nivel L
Caudal F
Revoluciones/minuto RPM
Tabla 2 Nomenclatura empleada para la instrumentación de control.
W Z
Transmisor T 2
Sensor E 2
Indicador I
Controlador C 1
Válvula de control CV 3
Válvula automática AV
Alarma alto SH 6
Alarma muy alto SHH 7
Alarma bajo SL 4
Alarma muy bajo SLL 5
3.2.3. Simbologia ISA para la caracterización de un lazo de control.
La ISA (International Society of Automation) asigna para cada instrumento un icono
circular que contiene un código alfanumérico (tag number).
Según la normativa ISA se utilizaran distintos tipos de línea para representar las líneas
de proceso y define símbolos para deferentes válvulas en función del actuador
instalado. A continuación en las tablas 3 - 5 se puede apreciar un resumen de dicha
simbología.
Tabla 3 Simbología empleada para las diferentes líneas de proceso
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Tabla 4 Simbología empleada para la instrumentación
La simbología empleada para la instrumentación estipula que los círculos representan
elementos de medida individuales, sensores , transmisores o transductores.
Por otro lado los cuadrados con un círculo en su interior representan instrumentos que
muestran información a la vez que realizan acciones de control.
Tabla 5 Simbología empleada para los diferentes tipos de válvulas en función de su actuador.
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3.3. Diagramas y descripción de los lazos de control
3.3.1. Lazo de control de la temperatura para intercambiadores de calor
El control de la temperatura del fluido de proceso es llevado a cabo mediante la medida
a la salida del intercambiador y en función de su valor el controlador actúa sobre la
válvula reguladora de caudal de fluido de servicio que entra al intercambiador con tal
de modificar la temperatura de salida del fluido de proceso en función del punto de
consigna requerido.
Éste tipo de control es el empleado para todos los intercambiadores de calor el objetivo
de los cuales sea enfriar o calentar el fluido de proceso.
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Un buen control de la temperatura en los intercambiadores puede llegar a suponer un
ahorro importante ya que un mal funcionamiento de éstos, además de suponer
enormes pérdidas en cuanto al producto final, podría generar un consumo excesivo de
energía.
El lazo de control de temperatura está constituido por un sensor de temperatura que a
su vez actúa propiamente cómo transmisor que emite una señal analógica al sistema de
adquisición de datos y éste manda la información al PLC, que compila la información y
devuelve una señal a la tarjeta con tal que ésta active la válvula reguladora mediante
una señal analógica.
- Variable controlada: temperatura del fluido en la salida de la coraza
- Variable manipulada: caudal de fluido de servicio.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-I201-3
- Alarma: -
A continuación se presenta el lazo de control de temperatura del intercambiador de
calor I-201 a modo de ejemplo, en el diagrama se pueden apreciar los lazos que siguen
el mismo esquema de control.
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3.3.2. Lazo de control de temperatura para tanques de almacenaje
Éste lazo de control es necesario para mantener el producto final, el ácido fórmico a una
temperatura moderada. Dadas las condiciones climáticas de la zona, en invierno se
podrían llegar a alcanzar temperaturas inferiores a los 8ºC con relativa facilidad,
temperatura a la cual el ácido fórmico empieza a solidificar-se.
Para llevar a cabo la supervisión del proceso se ha optado por un control de tipo feed-
back igual que para los intercambiadores de calor como se ha podido observar
anteriormente.
La variable controlada es la temperatura del ácido fórmico en el interior de los tanques,
nos interesa que ésta no disminuya por debajo de los 8ºC de modo que mediante un
serpentín se podrá aplicar temperatura en caso de que fuera necesario.
Hace falta destacar que éste sistema se ha aplicado de modo extra ya que a la salida de
la columna TD-504 se encuentra el intercambiador I-504, encargado se hacer salir el
fórmico del proceso a una temperatura de 30ºC. Solo en caso que se detectara que la
temperatura está disminuyendo se activaría el sistema calefactor de los tanques.
- Variable controlada: temperatura del ácido fórmico en el tanque.
- Variable manipulada: caudal de fluido de servicio.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-TK601-3
- Alarma: -
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3.3.3. Lazo de control de nivel para tanques de condensados
Las columnas de destilación constan de un tanque de condensados en la parte superior
con tal de poder proporcionar el caudal necesario de destilado y reflujo en todo
momento. El control de nivel del tanque de condensados se realizará a partir del control
del caudal de destilado. De este modo, el caudal que vuelve a la columna queda libre
para poder ser utilizado para llevar a cabo el control de temperatura en la columna.
Del mismo modo que los otros tipos de control mencionados anteriormente se ha
utilizado el mismo tipo de lazo feed-back.
- Variable controlada: nivel del líquido del tanque de condensados.
- Variable manipulada: caudal de destilado.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-TCTD301-3
- Alarma: LAL - LAH
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3.3.4. Lazo de control de temperatura para los condensadores de las columnas
Las columnas de destilación disponen en su parte superior de un condensador con tal
de condensar el vapor que sube por el interior de la columna y condensarlo con tal de
recircular una parte y a su vez obtener el destilado.
Para un correcto funcionamiento del condensador éste requiere de un lazo de control
de temperatura de tipo feed-back con tal de poder llevar a cabo la correcta regulación
del cabal del fluido de servició que entra al intercambiador.
- Variable controlada: temperatura de salida del fluido de proceso del
condensador
- Variable manipulada: caudal de fluido de servicio.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-ITD301-3
- Alarma: -
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3.3.5. Lazo de control de caída de presión en columnas de destilación
La caída de presión en columnas de destilación empacadas es un parámetro de vital
importancia, tener variaciones en la presión en el interior de la columna supone tener
variación en los caudales de líquido y vapor que circulan por el interior de ésta,
ocasionando un mal funcionamiento del equipo e incluso podría llegar a producir la
inundación de éste.
Por las razones comentadas en el párrafo previo se ha aplicado un control de tipo feed-
back mediante la instalación de dos sensores de presión diferencial. En función de sus
lecturas se manda una señal que actúa sobre el caudal de entrada de fluido de servicio
al termosifón de la columna con tal que éste produzca un aumento en la cantidad de
vapor que sube por el interior de la columna.
- Variable controlada: presiones en la parte superior e inferior de la columna.
- Variable manipulada: caudal de fluido de servicio que entra al termosifón.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: P-TD301-2
- Alarma: PAH - PAL
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3.3.6. Lazo de control de temperatura de la columna de destilación
Otro de los parámetros básicos para el buen funcionamiento y operación de las columnas de
destilación, a parte de la presión previamente comentada, es la temperatura. La temperatura
es la que marca en cada punto de la columna la composición de la mezcla de modo que
variaciones de temperatura en los platos supondría variaciones de composición en las salidas de
la columna y con lo cual la calidad del producto empeoraría sustancialmente.
Con tal de evitar tales variaciones en las composiciones de salida en las columnas se ha aplicado
un control de temperatura basado en la medida de la temperatura en la parte superior de la
columna, la lectura de la medida es analizada por el correspondiente controlador el cual manda
una actuación a la válvula de control que manipula el caudal de condensado que se devuelve a
la columna, el reflujo.
- Variable controlada: temperatura en la zona superior de la columna
- Variable manipulada: caudal del reflujo.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-TD301-3
- Alarma: -
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3.3.7. Lazo de control de nivel para mezcladores estáticos ( I )
Con tal de ahorrar tiempo y dinero en el diseño de tanques pulmón se ha decidido emplear
mezcladores estáticos con tal que éstos realizaran su misma función. Así pues realizando ésta
doble función era necesario que fueran equipados con el correspondiente sistema de control de
nivel con tal que las bombas y equipos situados después de las recirculaciones bajo ninguna
circunstancia queden sin subministro de fluido de proceso.
Al igual que los demás lazos vistos hasta ahora se utiliza el tipo de control feed-back.
Mediante los sensores de nivel se obtiene una lectura y se puede realizar la actuación sobre la
válvula que controla el caudal de entrada del mezclador que procede del área de tanques. De
éste modo ni el caudal se salida que se dirige a los siguientes equipos ni tampoco el que entra
al mezclador procedente de la recirculación se ven afectados.
- Variable controlada: nivel de liquido del tanque mezclador.
- Variable manipulada: caudal de entrada procedente del área 100.
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: L-MX401-3
- Alarma: LAL - LAH
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3.3.8. Lazo de control de caudal para reactores y columna de extracción
Debido a las condiciones en las que se da la reacción es necesario que la entrada de los
reactivos sea en una proporción determinada, al igual que sucede con la columna de
extracción, el caudal de extractante tiene que ser manipulado en función del caudal a
tratar que entre en la columna de extracción.
Con tal de tener un control absoluto de los caudales de reactivos se ha optado por un
control feed-back combinado dónde se miden simultáneamente los dos corrientes de
entrada y a su vez son manipulados con tal de adaptarse con la mayor eficiencia a
posibles variaciones de los caudales.
- Variables controladas:
o Caudal de formiato de metilo procedente del MX-401.
o Caudal de agua procedente del MX-402.
- Variables manipuladas:
o Caudal de formiato de metilo que entra al R-401
o Caudal de agua que entra al R-401
- Tipo de lazo: Feed-back Combinado
- Indicadores:
o F-R401-2a
o F-R401-2b
- Alarma: -
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3.3.9. Lazo de control de temperatura para reactores
La temperatura es un factor determinante en ambas reacciones, en primer lugar la carbonilación
es una reacción altamente exotérmica, y en segundo lugar, la segunda reacción se ve altamente
afectada por el equilibrio que como es sabido depende también fuertemente de la temperatura.
Por estos motivos se ha elegido un control feed-back dónde la variable mesurada es la
temperatura de salida del líquido del reactor, y la variable manipulada es el caudal de fluido
refrigerante que se hace circular por la camisa del reactor.
- Variable controlada: Temperatura del líquido a la salida del reactor
- Variable manipulada: caudal fluido de servicio que circula por la camisa
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: T-R401-3
- Alarma: TAL - TAH
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3.3.10. Control de nivel para reactores
Con tal de tener bajo supervisión el nivel de líquido en ambos reactores es necesario aplicar un
control de nivel con tal de tener en cuenta posibles variaciones debido a modificaciones de los
caudales de entrada. En el primer reactor es de gran importancia tener controlado el nivel del
líquido dado que al tratarse de un reactor bifásico conocer la altura dónde se encuentra la
interfase es vital.
El control de esta variable se ha realizado mediante la manipulación del caudal de salida de
líquido del reactor, y la mesura mediante el sistema de radar guiado.
- Variable controlada: nivel de liquido de R-401.
- Variable manipulada: caudal de salida de R-401
- Tipo de lazo: Feed-back
- Indicador: L-R401-3
- Alarma: LAL - LAH
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3.4. LISTADO DE LAZOS DE CONTROL POR ÁREA Y EQUIPO
En el área 100 no se dispone de ningún tipo de lazo de control aunque se requiere un gran
número de instrumentación.
3.4.1. A-100
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a. A-200
40
41
b. A-300
42
c. A-400
43
44
d. A-500
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46
47
48
49
50
e. A-600
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3.5. INSTRUMENTACIÓN
3.5.1. INTRODUCCIÓN
Para llevar a cabo la implementación del sistema de control en la planta se requiere de una
instrumentación específica y que se corresponda adecuadamente con cada variable manipulada
, medida o controlada y que dicho instrumento sea capaz de trabajar en las condiciones de
operación correspondientes.
Podemos dividir la instrumentación en 3 grandes grupos:
3.5.2. Elementos primarios
Tienen la función de detectar y transmitir los valores del proceso mediante un elemento
de medida o sonda. Sensores y transmisores forman parte de este grupo. Previamente
mencionados en el apartado de Elementos básicos de un lazo de control.
Los sensores elegidos para llevar a cabo la recopilación de información en la planta
corresponden a la empresa siemens, y son los sensores de la gama SITRANS.
3.5.2.1. Nivel
Se han empleado dos tipos de sensores de nivel en función de las necesidades
y requerimientos del proceso a seguir.
Medidor mecánico tipo boya, empleado en los tanques de almacenaje.
Este tipo de medidor es apto en los tanques de almacenaje pero no en
los reactores y mezcladores dado que al disponer de agitación ofrecería
lecturas falsas.
Medidor por presión diferencial, permite solventar los problemas
ocasionados por la agitación. Éste tipo de medidor que lo que hace es
calcular el diferencial de presión ocasionado por el peso de la columna
de líquido mediante la densidad del cual se puede obtener la altura de
dicha columna de líquida y en consecuencia el nivel.
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Medidor por microondas guiadas, de gran precisión es empleado en
los reactores y en la columna de extracción por su capacidad de tolerar
condiciones difíciles de operación y su capacidad de detección de
interfases.
Ilustración 5 Medidores de nivel por microondas guiadas SITRANS LG
3.5.2.2. Caudal
Caudalímetro tipo Coriolis, ofrecen información muy precisa acerca de
los líquidos o gases que fluyen por el tubo, para facilitar la dosificación,
la mezcla de productos, el cálculo de costes y otras muchas
aplicaciones.
Ilustración 5 Caudalímetro SITRANS FC 430 empleado.
3.5.2.3. Temperatura
Para éste tipo de medición se emplean normalmente 2 tipos de sensores:
Termopares, sensores mas económicos y que a la vez permiten la
medida de temperaturas más elevadas.
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Termo resistencias, de mayor robustez y precisión han sido las elegidas
como sensores de temperatura en nuestro proceso ya que el rango de
temperaturas a tratar no es muy elevado. Su funcionamiento se realiza
a través de la resistencia que presenta un cierto conductor a diferentes
temperaturas.
Ilustración 6 Sensor de temperatura TS500.
3.5.2.4. Presión
Medidores de presión, realizan la medición mediante la variación de la
posición de piezo-resistencias, cuyo movimiento genera la variación de
la resistencia. Tal variación es proporcional a la presión absoluta. Tienen
la posibilidad también te transmitir información acerca de diferenciales
de presión y caudal.
Ilustración 7 Transmisor de presión SITRANS P310 utilizado en la planta.
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3.5.2.5. Elementos finales
Tratamos en este grupo los elementos actuadores. Válvulas todo/nada y válvulas de
regulación.
Las válvulas automáticas están constituida por dos partes principales estructuralmente.
o Elemento actuador
Se trata de actuadores de tipo neumático, por cada valor de presión recibido se
modifica la abertura de la válvula. Sus partes principales son diafragma, vástago
y soporte.
o Cuerpo
Constituido principalmente por el obturador el cual será el encargado de regular la
cantidad de fluido que pasa a través del equipo.
A continuación se describen brevemente los diferentes tipos de elementos primarios
empleados a lo largo del proceso.
-nada
Las válvulas todo-nada pueden únicamente adoptar dos posiciones, completamente abiertas o
completamente cerradas dejando pasar completamente o no el fluido. Dentro de este tipo de
válvulas encontramos las válvulas de mariposa y las válvulas de bola. Para la realización de los
lazos de control éste tipo de válvulas no ha sido empleado de modo que sus características serán
descritas en el apartado correspondiente a válvulas, bombas y cañerías.
Éste tipo de válvulas son las encargadas de llevar a cabo la regulación del cabal de fluido que
circula en su interior mediante el ajuste de la obertura exacta de la válvula.
En función del grado de obertura de la válvula y de la relación entre esta obertura y el cabal que
circula tenemos tres tipos de válvulas reguladoras: lineales, isoporcentuales y hiperbólicas.
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Para la regulación del cabal en los lazos de control se han empleado válvulas de asiento de tipo
isoporcentual.
Este tipo de elemento final controla la velocidad de rotación de un motor de corriente alterna
mediante el control de la frecuencia de alimentación subministrada al equipo. Un ejemplo de
aplicación de éste tipo de elemento final seria por ejemplo en bombas, compresores y
agitadores..
3.6. Tarjetas de adquisición de datos
Se trata de tarjetas capaces de transformar las señales físicas del proceso,
transformarlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas con tal de que puedan ser tratadas
y manipuladas por un ordenador.
Éstos elementos presentan una doble función, en primer lugar actúan cómo
transformadores de señales analógicas-digitales y viceversa y a la vez permiten
relacionar los controladores de todos los lazos de la planta con los siguientes niveles
superiores de control.
Las tarjetas pues, registran todas las señales generadas en la planta a partir de los
elementos primarios y las salidas que se envían a los elementos finales.
En consecuencia éstas deben de estar dotadas con la cantidad suficiente de puertos de
entrada y salida, digitales y analógicos con tal de poder llevar el registro de todas las
señales.
Es de gran importancia la optimización de éste número de señales puesto que el precio
de las tarjetas está estrictamente relacionado con el número de señales que éstas
pueden manejar.
El número de tarjetas debe también ser el mínimo posible, repartiéndolas por áreas y
minimizando las distancias de cableado y los cruces de variables diferentes en la misma
zona de la tarjeta.
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Con tal de realizar la caracterización de las tarjetas es necesario llevar a cabo el recuento
de todas las señales analógicas y digitales. Este recuento se realiza a partir del análisis
de los lazos de control.
Para realizar el recuento se tienen en cuenta las siguientes consideraciones respecto al tipo de
señal que se está tratando.
o Entradas analógicas, señales analógicas originadas en los distintos sensores del
proceso.
o Salidas analógicas, señales analógicas producidas en el controlador con destino a las
válvulas de regulación y variadores de frecuencia.
o Entradas digitales, señales digitales producidas en los transmisores de todo/nada,
finales de carrera de válvulas todo/nada y alarmas.
o Salidas digitales, se trata de señales digitales salidas de los controladores hacia los
elementos finales de control tipo todo/nada.
Una vez definidas los diferentes tipos de señales a tener en cuenta se calculan las
entradas y salidas en función del tipo de instrumento que se encuentra en el lazo.
o Válvulas de control
Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de
control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable manipulada la que
incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es
que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen
primariamente dos mecanismos:
Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable)
Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases)
1 señal analógica si son de regulación
1 señal digital si son todo/nada
Si las válvulas constan de elemento final de carrera disponen también de
una salida digital.
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o Sensores
Se corresponden con las entradas analógicas en el sistema
o Bombas, agitadores, …
Requieren de una salida analógica que aporte información sobre su estado
y funcionamiento.
Para llevar a cabo la adquisición de datos en la planta se ha elegido el uso de tarjetas de la marca
SIEMENS dado que toda la instrumentación es subministrada por dicha empresa lo cual supone
una comunicación fácil y segura entre terminales.
Las tarjetas seleccionadas para llevar a cabo la adquisición de datos son las SIEMENS TG5700
RTU.
Las TG5700 son unidades terminales remotas distribuidas (RTU) que combinan amplias
capacidades de integración de dispositivos electrónicos inteligentes con algunos de las mejores
herramientas de configuración y diagnóstico en la industria.
El TG5700 RTU consta de los módulos de concentrador de datos y TG5700 de entrada / salida (I
/ O) SICAM StationManager2.
Ilustración 8 Modulo RTU
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Concretamente se han empleado 4 tipos de módulos de tarjetas en función del tipo de señal
que admitía.
Así pues las siguientes gamas de tarjetas son válidas para nuestra planta.
- SM1231 Admite 8 entradas analógicas
- SM1231 Admite 4 salidas analógicas
- SM1221 Admite 16 entradas digitales
- SM1222 Admite 16 salidas digitales
Ilustración 9 Módulo de entradas analógicas SM1231
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3.7. LISTADO DE INSTRUMENTACIÓN Y RECUENTO DE SEÑALES
3.7.1. A-100
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D/I D/O A/I A/O
Recuento señales A-100 128 54 12 0
Nº Tarjetas 8 4 2 0
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3.7.2. A-200
66
D/I D/O A/I A/O
Recuento señales A-200 92 22 20 14
Nº Tarjetas 6 2 3 4
67
3.7.3. A-300
D/I D/O A/I A/O
Recuento señales A-300 32 4 5 6
Nº Tarjetas 2 1 1 2
68
69
3.7.4. A-400
70
71
D/I D/O A/I A/O
Recuento señales A-400 18 2 3 3
Nº Tarjetas 3 1 2 3
72
73
3.7.5. A-500
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75
76
77
78
79
80
81
82
3.7.6. A-600
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84
85
86
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D/I D/O A/I A/O
Recuento señales A-300 126 55 15 5
Nº Tarjetas 8 4 2 2
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3.8. HOJAS DE ESPECIFICACIONES PARA LOS DISTINTOS INTRUMENTOS
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